铁镍离子组合对褐煤发酵产甲烷的影响_夏大平.pdf

第 47 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.6 2019 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region, Jiaozuo 454000, China Abstract In order to study the mechanism of the influence of exogenous optimal iron-nickel ions combination on the gas production process of fermentation, taking Daliuta lignite as an example, experiments were carried out with different contents of iron-nickel ions and the optimal concentration of single ions was elected. The optimal combi- nation concentration of iron-nickel ions were determined by combined design of quadratic regression and common rotation. The fermentation broth of experiment group and blank groupnot to added any ions, the coal sample of before and after experiment were analyzed by gas chromatography, X-ray diffraction, Fourier trans infrared spectroscopy, etc. The results showed that the optimum concentrations of Fe2 and Ni2 were 15 mg/L and 0.005 mg/L, respectively, and the addition of Ni2 showed an obvious trend of promotion at low concentration and sup- pression at high concentration. The gas production of experiment group increased by 13.64 and 20.69, respec- tively, compared with blank group. The peak time of pH, VFA and OD600 of experiment group was ahead of 3 d, and the macromolecular structure of the coal was more fully degraded. Finally, the effect of iron-nickel ions com- bination on methanogenic process was analyzed and the internal mechanism of iron-nickel ions in promoted meth- ane production by coal fermentation was clarified, which laid a theoretical foundation for improving the yield and efficiency of secondary biogenic gas. Keywords coal fermentation; iron-nickel ion; low promotion high inhibitory; combined optimization; liquid phase analysis; solid phase analysis; Daliuta coal mine in northern Shaanxi ChaoXing 60 煤田地质与勘探 第 47 卷 随着煤生物制气机理研究的逐渐深入[1]，各种 促进煤产气的方法接踵而至，其中就包括从微生物 生长的角度考虑增加产气量[2-3]。微生物在厌氧环境 下的正常生长不仅需要 C、N、P 等常量营养元素， 而且更需要 Fe、Ni、Co 等多种微量元素[4]。大量研 究表明，厌氧发酵过程中，微量元素能促进厌氧微生 物正常生长代谢并维持厌氧发酵酶系统的活性[5-9]。 有 学者证实内源微量元素对煤层生物甲烷的生成具有 一定的催化作用[10-11]，其中起主要作用的是铁和镍 这两种元素[12]。铁是多种酶的激活剂[13-15]，镍是组 成甲基辅酶还原酶的关键元素[16-18]，两者对煤生物 产气至关重要。但是内源铁镍元素含量较少，且能 够被微生物利用的金属螯合态更为有限[19]，不能满 足微生物对于营养元素的需求，为了使微生物的活 性和生理代谢能力达到最佳，考虑通过外源添加铁 镍元素来提高产气效率。大量实验证明[19-21]，亚铁 离子最适于微生物利用，而镍离子一般只有二价， 因此，直接投加 Fe2和 Ni2的可溶盐便可以保证量 的需求。但同时铁、镍元素又是硝酸盐、亚硝酸盐 还原酶的组成成分[22-24]，会使氨氮氧化从而造成高 氨氮毒害产甲烷菌，因此，铁镍离子的添加要适量。 笔者通过外加微量元素的方法，配置不同含量的铁 镍离子发酵液进行产气模拟实验，从中优化出产气 效果最佳的单一铁镍离子浓度，并通过二元二次旋 转组合设计确定外源添加铁镍离子最佳组合。以最 佳铁镍离子组合作为实验组，以不添加两种离子作 为空白组，对两组试样产气过程的发酵液、反应前 后的煤样进行测定和对比分析，以期从实验层面证 实铁镍离子组合的添加对煤发酵产甲烷的促进作 用，讨论其组合对次生生物产气的作用机理。 1 实验材料及方法 1.1 实验材料 a. 煤样及菌源 实验所用煤样均为神东公司大柳塔矿褐煤，实 验前将煤样破碎，筛选 6080 目180250 μm粒度， 灭菌后放入真空干燥箱内密封保存。按照 GB/T 307322014煤的工业分析方法 仪器法及 GB/T 313912015煤的元素分析对煤样进行工业分析 及元素分析测试，结果见表 1。实验菌源均取自大 柳塔矿深层矿井水，取回后置于 4℃实验室冰箱内 密封保存。 b. 产甲烷培养基 实验所用培养基是在前人的研究基础上[26-27]进 行优选后的增产甲烷培养基。 产甲烷培养基每 1.0 L 新鲜矿井水中加入 表 1 煤样的工业分析及元素分析 Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal samples 工业分析/ 元素分析/ 煤样 Mad Aad Vdaf Cdaf Hdaf Ndaf OSdaf 褐煤 7.86 10.9 41.3 80.63 4.85 1.03 13.49 1.0 g NH4Cl、 0.1 g MgCl26H2O、 0.4 g K2HPO43H2O、 0.2 g KH2PO4、0.2 g Na2S、2.0 g NaHCO3、0.001 g C12H7NO4、 0.5 g C3H7NO2S、 2.0 g 甲酸钠、2.0 g 乙 酸钠、1.0 g 酵母膏、0.1 g 胰化酪蛋白和 10 mL 复 合维生素溶液。pH7。 复合维生素溶液每 1.0 L 蒸馏水中加入 2 mg 生物素、2 mg 叶酸、5 mg B1、5 mg B2、10 mg B6、 0.1 g B12、5 mg 烟酸、5 mg 泛酸钙、5 mg 对氨基 苯甲酸及 5 mg 硫辛酸。 1.2 实验方法 a. 不同浓度梯度下铁镍离子的模拟产气实验 配制 3.0 L 产甲烷培养基，装入灭菌后的锥形 瓶中，通氮气 3 min，制造厌氧环境后迅速密封。将 锥形瓶放置在 35℃的恒温培养箱内，对矿井水中的 菌群富集 410 d。富集结束后，取煤样 20 g，矿井 水富集液 200 mL，并添加不同浓度的单一铁镍离 子，具体实验方案见表 2。 表 2 实验设计方案 Table 2 Design scheme of the experiment 单位mg/L 铁镍离子质量浓度 铁镍离子质量浓度 序 号 Fe2 Ni2 序 号 Fe2 Ni2 1 0 0 7 0 0.001 2 5 0 8 0 0.003 3 10 0 9 0 0.005 4 15 0 10 0 0.007 5 20 0 11 0 0.009 6 25 0 12 0 0.011 将 12 组样分别置于灭菌后的锥形瓶中， 通氮气 1 min 后迅速密封，并连接产甲烷模拟装置图 1。 连接完成后再次置于 35℃的恒温培养箱中培养。在 产甲烷过程中，每隔 1 d 轻晃一次发酵瓶，以保证 产气过程的高效进行。本实验采用排水集气法测试 褐煤发酵过程中气相产物的体积，用气相色谱仪测 试气相产物中甲烷含量，气相产物每隔 2 d 测试一 次。至无明显产气发生后结束实验。 b. 二元二次旋转组合设计确定最优铁镍离子 组合 根据单一铁镍离子含量对产气的促进效果，分 别选取产气效果最佳的 5 组含量作为因子，进行二 元二次旋转组合设计，设计方案见表 3。其中，对 单一铁镍离子的最佳含量设计多组平行实验。 ChaoXing 第 6 期 夏大平等 铁镍离子组合对褐煤发酵产甲烷的影响 61 图 1 产甲烷模拟装置 Fig.1 Methanogenic simulator 表 3 二元二次旋转组合设计方案 Table 3 Combined designing scheme of binary quadratic rotation 单位mg/L 铁镍离子质量浓度 铁镍离子质量浓度 序号 Fe2 Ni2 序号 Fe2 Ni2 1 20 0.007 8 15 0.001 2 20 0.003 9 15 0.005 3 10 0.007 10 15 0.005 4 10 0.003 11 15 0.005 5 25 0.005 12 15 0.005 6 5 0.005 13 15 0.005 7 15 0.009 按表 3 设计方案进行模拟产气实验，确定产气 最佳时对应的铁镍离子组合，并以该组合作为实验 组，以不添加铁镍离子的试样作为空白组，分别进 行模拟产气实验，测试产气过程中的液相产物及产 气前后的固相物质，从而更深入地认识铁镍离子对 大柳塔褐煤厌氧发酵产气的影响。 c. 产气过程中液相产物测试方法 为测定产气过程中液相产物的酸碱度 pH、 挥发 性脂肪酸含量 VFA 及红外光谱 OD600，每隔 2 d 取 少量发酵液进行测试，直至产气结束。利用 pH 计 Mettler-Toledo FE20测试发酵液的 pH，测量 pH 范 围014，pH 分辨率0.01。采用气相色谱仪安捷 伦 7890A 型检测发酵液中挥发性脂肪酸含量， 取 1 mL 发酵液到气相色谱仪专用试剂瓶， 并向其中加入 0.3 mL 的甲酸溶液进行酸化，色谱柱为 Agilent 19091N-13330 m250 μm0.25 μm，载气为氦气， 流速为 30 mL/min， 采用分流模式进样， 分流比为 10， 检测器为氢火焰离子检测器。利用 721 型分光光度 计，测定发酵液在波长 600 nm 处检测的 OD600值。 取 50 mL 发酵液，在转速为 1 500 r/min 的离心机内 离心 20 min，可使微生物与煤样分离达到最佳效果[28]。 d. 产气前后固相物质测试方法 为研究添加铁镍离子组合相较于空白组对煤发 酵产气后固相物质的影响，在产气前后分别取适量 处理过的煤样进行固相物质检测实验。利用木质素 滴定法对煤中木质素含量进行测定，可以间接反映 煤的降解程度。 采用 XRDD8 Advance， 德国布鲁克 分析产气前后煤中微晶结构参数变化。利用 FTIR AVATAR360，美国 Nicolet测试产气前后煤中官能 团的变化情况。采用 SEMJSEM-6390/LV，日本 电子株式会社分析产气前后煤中孔隙、裂隙结构 变化。 2 结果与讨论 2.1 不同含量铁镍离子对产气的影响 如图 2、图 3 所示，铁镍离子的添加量对产气 量的影响呈相同的变化趋势 “低增高减”。即低 质量浓度的 Fe2、Ni2对煤生物产气过程均起到促 进作用，当 Fe2质量浓度达到 15 mg/L，Ni2质量浓 度达到 0.005 mg/L 时， 产气效果最佳， 分别为 308 mL 和 290 mL，之后随着离子质量浓度的增加，累计产 气量逐渐减少。当 Ni2的质量浓度达到 0.011 mg/L 时，产气量低于未添加 Ni2组，产气过程受到抑制。 这与 Lin C. Y.等[29]研究得出的 Ni2投加量过高会对 反应体系产生毒性作用相契合。 图 2 不同 Fe2质量浓度下的累计产气量 Fig.2 Cumulative gas production at various Fe2 mass concentration 图 3 不同 Ni2质量浓度下的累计产气量 Fig.3 Cumulative gas production at various Ni2 mass concentration ChaoXing 62 煤田地质与勘探 第 47 卷 2.2 最佳铁镍离子组合含量及其对产气的影响 二元二次旋转组合设计方案的最终产气结果如 图 4 所示。从图中可以很明确地观察出，当添加的 Fe2质量浓度为 15 mg/L，Ni2质量浓度为 0.005 mg/L 时，产气量是所有实验设计方案表 3中最高的。 图 4 二元二次旋转组合设计的产气结果 Fig.4 Gas production of combined design of binary secondary rotation 由图 2图 4 可知，最佳铁镍离子组合的累计 产气量达到 350 mL，相较于添加单一 Fe2、Ni2分 别增加了 13.64和 20.69。分析认为在煤发酵产 气过程中，各种微量元素作用的途径不尽相同，铁 镍离子的共同添加达到协同促进作用，从而使产气 情况最佳[4]。 2.3 液相产物分析 a. pH 值和挥发性脂肪酸 VFA 分析 由图 5 可知，随着产气实验的进行，实验组和空 白组发酵液的 pH值均呈现“先减后增”的趋势。实验组 和空白组分别在第 15 d 和 18 d 降至最小值 5.98、 6.02， 之后逐渐增加。挥发性脂肪酸中，仅乙酸、丁酸的变 化幅度较大图 6、图 7。实验组的乙酸、丁酸浓度在 第 15 d 达到最大， 分别为 2.37 mmol/L和 2.51 mmol/L， 之后逐渐减少图 6；空白组也有相似的规律，丁酸浓 度在反应的第 18 d 达到最大值 2.25 mmol/L， 乙酸则在 第 21 d 达到最大值 2.14 mmol/L 图 7。 通过对比可知，两组发酵液的 pH 情况与挥发 性脂肪酸含量的变化一一对应，分析认为，在发酵 前期产氢产乙酸菌将初期水解菌、发酵菌等降解酶 所产生的相对较大的化合物转化为小分子脂肪酸等 酸性物质，因此，pH 值在前期呈降低趋势，乙酸和 丁酸含量增加；而在产甲烷阶段，产甲烷菌利用小 分子脂肪酸、 甲基类化合物和 CO2转化为甲烷气体， 同时反硝化菌在进行反硝化过程中分泌出大量铵根 类碱性物质，使得溶液的 pH 值升高，乙酸和丁酸 含量减少。产气过程中，实验组及空白组的乙醇含 量变化极小，可以看出煤发酵产气过程中，乙醇型 发酵不是主要的发酵形式。实验组发酵液 pH 出现 最低值及乙酸、丁酸含量到达峰值的时间较空白组 提前 3 d，分析认为，由于铁镍离子组合的添加，促 进水解菌、发酵菌、 产酸菌和产甲烷菌等微生物菌种 生长代谢，提高了菌群的活性和降解物质的能力[19]。 图 5 实验组和空白组在产气阶段的 pH 变化 Fig.5 Change of pH during gas production in experiment group and blank group 图 6 实验组小分子酸变化 Fig.6 Change of small molecular acids in the experiment group 图 7 空白组小分子酸变化 Fig.7 Changes of small molecular acids in the blank group b. 红外光谱 OD600 由图 8 可知，随着反应的进行，两组试样的 OD600值均呈现“先增后减”的变化趋势，实验组的 OD600值较空白组增长快，在第 15 d 增加至峰值 0.524，而空白组的 OD600值在第 18 d 才达到峰值 0.456。随后两组 OD600值均呈现下降趋势，在反应 ChaoXing 第 6 期 夏大平等 铁镍离子组合对褐煤发酵产甲烷的影响 63 进行到第 30 d 以后，实验组和空白组的 OD600值分 别维持在 0.230 和 0.210 左右。分析认为，在实验初 期， 两组样品的产甲烷菌都处于生长期，OD600值较 低。实验组由于添加了最佳铁镍离子组合，使微生 物生长繁殖速率加快，细菌的繁殖数量不断增加， 导致其 OD600值的增长速率快于空白组，且峰值出 现的时间也比空白组提前了 3 d。 随后细菌逐渐进入 衰亡期，导致 OD600值不断下降，最后趋于稳定的 原因在于将死菌也在 OD600的测试中吸收光。 图 8 实验组和空白组的 OD600变化 Fig.8 OD600 changes in blank group and experiment group 2.4 固相产物分析 a. 木质素含量分析 添加铁镍离子组合的木质素消耗量为 1.36， 对应其产气量也最大；而反观空白组的木质素消耗 量仅有 0.39，对应其产气量也最小；说明产气的 多少与木质素降解程度有一定的相关性。相较于空 白组而言，添加铁镍离子的实验组能激活细菌分泌 更多的生物酶。在生物酶的作用下，木质素的降解 程度得到提升，小分子酸含量增加，从而为乙酸发 酵产甲烷提供更多的物质来源。 b. XRD 分析 实验组和空白组的 XRD 分析结果如表 4 和图 9 所示， 从表和图中可以看出， 实验组的层面间距 d002 比空白煤样变化大，实验组煤样的层面之间的距离 比空白煤样组大 0.0134 nm， 实验组煤样的空间延展 度 La比空白煤样的延展度小 0.742 nm，实验组煤样 的堆砌度 Lc要比空白煤样小 0.3385 nm，由此可见 实验组煤的芳香结构破坏程度要比空白组高。分析 认为， 煤样的降解主要是由于各类微生物相互协调、 共同作用的结果，在添加铁镍离子组合的实验中， 营养元素的增加导致微生物的数量明显增多，生长 对数期的菌量也更多，其活性得到更充分的发挥。 在对煤样进行降解时，不仅小分子物质得到充分降 解，且苯环和基本单元核的附属官能团也被部分利 用，使得煤的芳香结构降解的更为剧烈，煤的短程 有序、长程无序结构被打乱，芳构化程度降低，堆 垛顺序也降低。 表 4 煤样 X 射线衍射数据 Table 4 X-ray diffraction desorption date of coal samples 样品 2θ002/ 2θ100/ d002/nm d100/nm Lc/nm La/nm 芳香层数 实验组 24.503 43.162 0.363 0 0.209 4 0.599 9 1.146 0 2.652 空白组 25.457 42.718 0.349 6 0.211 5 0.938 4 1.888 0 3.684 图 9 实验组和空白组煤样的 XRD 对比分析 Fig.9 XRD analysis of experimental coal samples c. 官能团对比分析 将图 10 中主要的官能团归属及各基团的变化 情况绘制成表 5，由表 5 可知，添加铁镍离子实验 组相较于空白组的羟基或氨基，羧酸、羧酸盐的伸 缩振动分别增加 308.56和 132.81，甲基、亚甲 基，芳烃的伸缩振动及芳环的面外弯曲振动分别减 少 71.23、56.49和 87.26。分析认为，由于铁 镍离子的添加，实验组的细胞代谢能力要比空白组 强，使得芳环打开程度更大，芳环含量减少。在断 开处引入羟基氨基，使羟基和氨基含量增加。由 于铁镍的添加促进了水解菌、 发酵菌等的代谢能力， 进而促进了煤的水解作用，使煤中大分子官能团和 侧链脱落[30]。 羧酸和羧酸盐的增加可能是因为甲基、 亚甲基氧化成羧基、酚羟基等，又因培养基中含有 铵盐等矿物质，会使羧酸、羧酸盐的含量有所增加。 d. SEM 扫描电镜分析 由图 11 可知，相较于原煤，无论是实验组还是 空白组，在产气后观察面均凹凸不平，且孔隙数量 和孔隙类型均明显增多， 同时裂隙数量也明显增加。 ChaoXing 64 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 10 空白组与实验组的红外光谱 Fig.10 FTIR in experiment and blank samples 分析认为，随着最佳铁镍离子组合的添加，促进微 生物分泌各种蛋白酶，使煤的大分子结构得到更加 充分的降解，经过发酵这一复杂的生物降解过程， 从而导致煤样表面孔隙、裂隙增多。但不能从扫描 电镜上看出空白组和实验组孔隙结构的区别。 表 5 空白组和实验组中各基团含量的变化率 Table 5 Group content rate in experiment and blank samples 类别 波数范围/ cm–1 实验组较空白组 的变化率/ 羟基或氨基的伸缩振动 3 6503 200 308.56 甲基、 亚甲基的伸缩振动 3 0502 800 –71.23 芳烃的伸缩振动 1 8001 500 –56.49 羧酸、 羧酸盐的伸缩振动 1 5001 350 132.81 芳环的面外弯曲振动 910850 –87.26 注表中“–”表示减少。 图 11 原煤与实验组和空白组产气后扫描电镜 Fig.11 Scanning electron microscopic observation of raw coal, experiment sample and blank sample 2.5 产气过程的机理分析 对比实验组和空白组样品的产气过程，虽出现 不同的液相和固相变化特征， 造成产气结果的差异， 但产气途径基本相似。在初始产气阶段，煤作为碳 源供给微生物菌群，维持其代谢活性，同时煤的大 分子结构被降解成一些酸类小分子，具体表现在一 开始反应液的丁酸和乙酸浓度不断升高，直至达到 最高值，此时相应的 pH 值也随之降至最低点，呈 弱酸性。在产气的第二个阶段，由于脂肪链、氢键 等断裂，导致煤结构中氢键力减弱，充分说明降解 的发生[31]。煤大分子微晶结构处在变化较小的降解 状态，反应样中 pH 值升高最后呈中性。由于实验 组产甲烷菌活性高，生长代谢旺盛，利用乙酸和丁 酸的能力强，因此，实验组基本没有出现酸的延滞 期而直接被利用。固体物质和有机物质仍在持续减 少，认为该阶段甲烷产出途径为二氧化碳还原和甲 基类发酵。 3 结 论 a. 促进褐煤发酵产甲烷的实验研究表明，其最 佳铁镍离子质量浓度为 15 mg/L的 Fe2及 0.005 mg/L 的 Ni2。添加最优 Fe2和 Ni2组合的产气量相较于 添加单一 Fe2、Ni2分别增加了 13.64和 20.69。 b. 添加铁镍离子组合后，实验组液相产物的 pH 值、 挥发性脂肪酸含量 VFA 及红外光谱 OD600相较于 空白组达到峰值的时间均提前 3 d， 说明铁镍离子能促 进水解菌、发酵菌、产酸菌和产甲烷菌等微生物菌种 生长代谢，提高了菌群的活性和降解物质的能力。 c. 固相物质检测从煤结构的角度说明，铁镍离 子的添加能提高木质素的降解程度，促进煤的烷基 侧链和官能团脱落，使煤的大分子结构剧烈降解， 煤表面孔隙数量增加，孔隙率增大，从而使煤结构 朝着有利于产气量增加的方向发展。 参考文献 [1] 王爱宽. 褐煤本源菌生气特征及其作用机理[J]. 煤炭学报， 2010，35111945–1946. 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